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Alphastrahlung
Alphastrahlung oder α-Strahlung ist eine ionisierende Strahlung, die beim Alphazerfall, einer Art des radioaktiven Zerfalls von Atomkernen, auftritt.
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Grundprinzip der Alphastrahlung
Alphastrahlung (α-Strahlung) ist ionisierende Teilchenstrahlung aus dem Alphazerfall, einer Art des radioaktiven Zerfalls von Atomkernen. Ein radioaktives Nuklid, das sie aussendet, heißt Alphastrahler. Dabei stößt der Mutterkern ein Alphateilchen aus und wird zum Tochterkern.
Ein Alphateilchen ist ein vollständig ionisierter Helium-4-Kern: Es besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen, hat die elektrische Ladung +2 e und die Masse 4.001506179129(62) u beziehungsweise 6.6446573450(21)·10−27 kg. Seine Ruheenergie beträgt 3727.3794118(12) MeV, sein Spin mit Parität 0+; es ist stabil. Alphazerfall tritt vor allem bei Kernen mit hoher Massenzahl auf.
Zerfall, Energie und Tunneleffekt
Beim Alphazerfall sinkt die Massenzahl A des Kerns um 4 und seine Kernladungszahl Z um 2. Allgemein gilt:
_{Z}^{A}X → _{Z-2}^{A-4}Y + _{2}^{4}He + ΔE.
Beispiel: _{62}^{146}Sm → _{60}^{142}Nd + _{2}^{4}He + 2,529 MeV.
Die frei werdende Energie ΔE entsteht aus dem Massendefekt nach E = mc². Sie verteilt sich als Bewegungsenergie auf Alphateilchen und Tochterkern im umgekehrten Verhältnis ihrer Massen. Der Tochterkern kann außerdem zunächst angeregt bleiben und anschließend Gammastrahlung aussenden. Alphateilchen verlassen den Kern mit etwa 10.000 bis 20.000 km/s und mit Energien von einigen MeV.
Für ein bestimmtes Nuklid haben die ausgesandten Alphateilchen nur bestimmte kinetische Energien: Das Energiespektrum ist daher ein charakteristisches Linienspektrum und kann zur Bestimmung eines Radionuklids dienen. Im Kern wirken kurzreichweitige starke Anziehung und langreichweitige elektrische Abstoßung zusammen. Daraus entsteht der Coulombwall, eine Barriere, die höher als die verfügbare kinetische Energie ist. Nach klassischer Physik wäre das Alphateilchen gebunden; durch den quantenmechanischen Tunneleffekt kann es die Barriere dennoch verlassen. Die Tunnelwahrscheinlichkeit pro Zeit bestimmt die Halbwertszeit. Den Zusammenhang von Halbwertszeit und Alphaenergie beschreibt die Geiger-Nuttall-Regel.
Welche Kerne Alphastrahler sind
Alphazerfall ist nur bei mittelschweren und schweren Nukliden möglich. Der leichteste Kern mit Alphazerfall ist das neutronenarme Antimon-104 mit 53 Neutronen und 51 Protonen; auch einige extrem neutronenarme Kerne zeigen ihn. Häufiger wird Alphazerfall ab Neutronenzahl 84, besonders bei 84 Neutronen, weil die Zerfallsprodukte 82 Neutronen besitzen. 82 ist eine magische Zahl und macht Kerne besonders stabil. Oberhalb von 84 Protonen und besonders oberhalb der magischen Neutronenzahl 126 wird der Alphazerfall noch häufiger beziehungsweise dominierend.
Natürliche Alphastrahler sind unter anderem Uran und Thorium sowie deren Zerfallsprodukte Radium und Radon. Typische Alphaenergien liegen bei 2 bis 5 MeV; künstlich erzeugte Nuklide können über 10 MeV bis etwa 60 MeV erreichen. Die Bethe-Weizsäcker-Massenformel ergibt ab Massenzahl 165 rechnerisch eine positive Energiefreisetzung. Trotzdem sind bei manchen Nukliden die erwarteten Halbwertszeiten um viele Zehnerpotenzen größer als das Alter des Universums, sodass ihr Alphazerfall nie beobachtet wurde. Später wurden etwa 149Sm, 152Gd und 174Hf als extrem langlebige Alphastrahler erkannt; bei 180W und 209Bi wurde Alphazerfall erst in den 2000er Jahren mit Halbwertszeiten von einigen Trillionen Jahren nachgewiesen.
Reichweite, Abschirmung und biologische Wirkung
Alphastrahlung ist die am leichtesten abschirmbare ionisierende Strahlung. Wegen der Ladung und der relativ großen Masse von 4 u geben Alphateilchen ihre Energie sehr schnell ab. Ihre Ionisation ist pro Weglänge viel dichter als bei Beta- oder Gammastrahlung. In einer Nebelkammer erscheinen ihre Spuren deshalb kurz und dick.
Die Reichweite hängt von Energie und Dichte des Mediums ab. In Luft bei Normaldruck beträgt sie bei 10 MeV ungefähr 10 cm und ist umgekehrt proportional zum Luftdruck; in der Hochatmosphäre kann sie hunderte Kilometer betragen. Ein 5,5-MeV-Alphateilchen dringt in Wasser oder organisches Material nur etwa 45 μm ein. Ein kräftigeres Blatt Papier oder einige Zentimeter Luft schirmen die Strahlung im Allgemeinen vollständig ab.
Von außen ist Alphastrahlung für Menschen deshalb relativ ungefährlich, weil sie überwiegend in den oberen toten Hautschichten bleibt. Werden Alphastrahler jedoch eingeatmet oder auf andere Weise in den Körper aufgenommen, können sie lebende Zellen auf engem Raum stark schädigen, besonders wenn sie sich in einem Organ anreichern. Der Strahlungswichtungsfaktor beträgt für Alphastrahlung 20, für Beta- und Gammastrahlung dagegen 1. Auch der zurückstoßende Tochterkern trägt zur Gewebeschädigung bei: Seine Energie kann bis etwa 200 keV betragen. In der Radonbalneologie wird eine heilende Wirkung gering dosierter Alphastrahlung durch radonhaltige Heilbäder angenommen.
Nachweis, technische Nutzung und Helium
Grundsätzlich können alle Teilchendetektoren Alphastrahlung nachweisen, sofern die Teilchen das empfindliche Detektorvolumen erreichen. Zählrohre brauchen dafür ein ausreichend dünnes Folienfenster; Kontaminationsnachweisgeräte sind geeignet. Für genaue Energiespektren befinden sich Quelle und meist ein Halbleiterdetektor gemeinsam im Vakuum.
Alphastrahler, vor allem Transurane mit relativ kurzer Halbwertszeit, können sich durch die im Material abgegebene Zerfallsenergie stark erhitzen. Wenn sie wenig Gammastrahlung erzeugen und ihre Halbwertszeit meist einige Jahre bis Jahrzehnte beträgt, lässt sich diese Wärme in Radionuklidbatterien zur Stromerzeugung nutzen. Ionisationsrauchmelder messen die durch Alphastrahlen ionisierte Luft; Rauch verändert deren Leitfähigkeit. Meist wird Americium-241 verwendet, dessen Halbwertszeit 432 Jahre beträgt und dessen unmittelbares Zerfallsprodukt Neptunium-237 weder kurzlebig noch gasförmig ist.
Treffen Alphateilchen geeigneter Energie auf beispielsweise Beryllium-9 oder Kohlenstoff-13, können ein neuer Kern und ein freies Neutron entstehen. James Chadwick bewies 1932 die Existenz von Neutronen mit der Reaktion 9Be(α,n)12C. Solche (α,n)-Quellen werden weiterhin in Labor und Lehre eingesetzt; als Alphaquelle dient häufig Polonium-210.
Nach vielen Stößen fangen langsame Alphateilchen Elektronen ein und werden zu Helium-4. Helium aus Alphastrahlung im Erdinneren kann sich in Erdgasblasen auf einige Prozent anreichern und dadurch aus einzelnen Erdgasquellen gewonnen werden.
Weitere Quellen und wichtige Forschungsschritte
Als Alphateilchen gelten in der Physik alle vollständig ionisierten Helium-4-Kerne, auch ohne radioaktiven Ursprung. Etwa 12 % der Teilchen der galaktischen kosmischen Strahlung sind solche Teilchen; dieser Anteil erreicht jedoch nie den Erdboden. Auch Heliumgas kann in einer Ionenquelle ionisiert werden. Nach Beschleunigung in einem Teilchenbeschleuniger kann sein Strahlenbündel Alphastrahl genannt werden.
Wichtige Grundlagen wurden zwischen 1896 und 1928 gelegt: Henri Becquerel entdeckte 1896 die Uranstrahlung. Marie und Pierre Curie isolierten Radium und Polonium und prägten den Begriff Radioaktivität. Ernest Rutherford unterschied 1898 α- und β-Strahlung nach ihrem Durchdringungsvermögen, wies 1908 Alphateilchen als Heliumkerne nach und nutzte sie 1911 für Streuexperimente zum Rutherfordschen Atommodell. 1913 formulierten Kasimir Fajans und Frederick Soddy die Verschiebungssätze für das beim Alphazerfall entstehende Nuklid. Rutherford beobachtete 1919 mit 14N(α,p)17O erstmals eine künstliche Elementumwandlung. George Gamow erklärte den Alphazerfall 1928 durch den Tunneleffekt.
